Description de la lumière LASER

IUT Saint Nazaire Département Mesures Physiques
MP2 Semestre 3
Description de la lumière LASER
Décrire la lumière produite par un LASER fait nécessairement appel aux quatre domaines principaux de l’optique moderne.
1- Optique géométrique
Faisceau cohérent très faiblement divergent :
angle de divergence < 1 mrad typiquement.
Repérage et traçage à l’aide de niveaux laser
→ Modèle du rayon de lumière (ray) à propagation rectiligne en milieu optiquement homogène
Utilisé quand les dimensions caractéristiques (taille fente etc.) d >> λ longueur d’onde.
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2- Optique ondulatoire & Electromagnétisme
- Onde électromagnétique caractérisée par sa fréquence ν constante dans tous les milieux traversés.
- Propagation à la vitesse de la lumière ( c = 299 792 458 ≈ 3 108 m.s-1 ≈ 300 000 km.s-1 dans le vide ).
- Couleur rouge caractérisée par une longueur d’onde dans le vide : Laser He-Ne λ0 = 632.8 nm ; soit λ0 = c T = c × 1 / ν
où ν = 4.73 1014 Hz Mais λ = λ0 / n si l’indice optique est n : λ = c / n × 1 / ν
Remarque : depuis 1983 « le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 seconde » (résolution de la
17e Conférence générale des poids et mesures).
Interférences et diffraction
par deux fentes d’Young
Diffraction par une ouverture
carrée
Holographie (représentation 3D)
→ Diffraction, interférences, holographie, polarisation ne peuvent décrites sans faire intervenir
le modèle ondulatoire de la lumière.
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3- Optique quantique
Spectres d’émission de l’hélium et du néon
Processus d’émission de lumière dans un laser
L’hélium et le néon sont associés du fait de l’existence de raies
de même longueur d’onde dans leurs spectres.
- Les atomes de néon sont excités par une décharge
électrique au sein du gaz du tube du laser.
- De nombreux atomes d’hélium sont excités par collision
avec les atomes excités de néon : ce procédé s’appelle
« pompage optique ». Les électrons vont des niveaux
d’énergie inférieurs vers les niveaux supérieurs.
- Les raies lumineuses de l’hélium sont émises lors de la deexcitation des atomes d’hélium. La transition d’un électron
d’un niveau supérieur vers un niveau inférieur libère une
quantité précise d’énergie sous la forme d’un « grain » de
lumière ; ce « quantum » d’énergie est appelé photon
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Lumières émises par un tube Hélium-Néon
On observe l’émission latérale de lumière orangée à 594.5 nm par émission spontanée.
La lumière de lasage rouge à 632.8 nm, sélectionnée par le réglage de la distance entre miroir, est émise dans l’axe. Les autres
raies IR ne sont pas visibles ! Il n’y a pas lasage car la distance ne convient pas (condition d’interférence non remplie).
→ Spectre de raies correspondant aux écarts entre niveau d’énergie pour les transitions possibles.
→ Chaque transition vers un niveau inférieur d’un électron correspond à l’émission d’un photon d’énergie
hc
-34
∆E = Esup − Einf = hν =
λ avec la constante de Planck h ≈ 6,626 068 96×10 J.s
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4- Optique statistique
Structure granulée d’une figure de « speckle »
La lumière générée par un LASER
est suffisamment cohérente (spatialement et temporellement) pour
auto-interférer aisément.
Il suffit d’observer en réflexion la
tâche lumineuse obtenue sur un
écran à peine rugueux ou en
transmission la lumière issue d’un
verre dépoli.
Remarque : image « artistique » issue du
projet Sawari
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La figure de speckle constatée présente, au lieu de l’éclairement uniforme attendu, une structure granulaire constituée de
petites tâches (ou « grains de speckle » ou « tavelures ») d’intensité lumineuse différente, réparties aléatoirement dans l’espace.
Ce phénomène, usuellement considéré comme indésirable, peut être mis à profit pour des mesures de très faibles déplacements.
Photographie du speckle
obtenue sur un écran avec un
faisceau laser élargi
par une lentille
Détails de la figure, enregistrés avec
une webcam
Densité de probabilité p(I)
Dans l’image d’un speckle, les tâches sombres paraissent plus nombreuses que les zones les plus brillantes.
On ne peut comprendre cette répartition qu’en considérant la densité de probabilité de trouver un élément de surface d’intensité


p( I ) = 1 exp − I 
lumineuse I : soit
où <I> est l’intensité moyenne
I
 I 
→ L’étude détaillée de tels phénomènes nécessite des calculs assez sophistiqués
(cf. TP MC S4 Mesure de faibles déplacements par interférométrie de speckle).
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Sources des figures et des images :
http://www.provence-outillage.fr/outillage-maconnerie
http://www.stanleyoutillage.fr/sub_category/Niveaux+Laser.ctlg
http://fr.academic.ru/dic.nsf/frwiki/1265951
http://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment
http://www.science-et-vie.net/definition-holographie-712.html
http://www.repairfaq.org/sam/LASERsam.htm
Introduction à l’optoélectronique JC. Chaimovicz Dunod 1992
http://www.haanappel.net/ryan/resume/experience-hene.php
http://www.radlab.com/information/sawari.html
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Faits historiques :
• Apport d’Einstein au LASER : émission stimulée par un atome (article 1917, second prix Nobel 1921) http://www.mathset-physique.net/article-3113016.html
• Projet et développement Charles Townes, co-découvreur du LASER : http://fr.wikipedia.org/wiki/Charles_Townes et
http://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Hard_Townes (première expérience réussie 1954, co-prix Nobel 1964),
• Mise au point du premier LASER Hélium-Néon (mai 1960 Ted Maiman) : http://en.wikipedia.org/wiki/Heliumneon_laser
• 1960-2010 Cinquantenaire du LASER (brevet juillet 1962) http://50ansdulaser.com/ http://www.laserfest.org/
Sommaire
DESCRIPTION DE LA LUMIERE LASER............................................................................................................................................................................. 1
1- Optique géométrique ............................................................................................................................................................................................. 1
2- Optique ondulatoire & Electromagnétisme .......................................................................................................................................................... 2
3- Optique quantique.................................................................................................................................................................................................. 3
4- Optique statistique .................................................................................................................................................................................................. 5
Sources des figures et des images : ........................................................................................................................................................................... 7
Faits historiques : .......................................................................................................................................................................................................... 8
Sommaire ..................................................................................................................................................................................................................... 8
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